Biochemia strukturalna / kolagen

Wprowadzenie do kolagenu
kolagen, który jest najobficiej występującym białkiem u ssaków, jest również głównym włóknistym składnikiem skóry, kości, ścięgien, chrząstki i zębów. Sucha skóra człowieka składa się z ponad 1/3 kolagenu. To zewnątrzkomórkowe białko jest cząsteczką w kształcie pręta, o długości około 3000 Å i średnicy zaledwie 15 Å. Istnieje co najmniej dwadzieścia osiem różnych rodzajów kolagenu, które składają się z co najmniej 46 różnych łańcuchów polipeptydowych zlokalizowanych w kręgach i innych białkach zawierających domeny kolagenowe. Cechą charakterystyczną kolagenu jest to, że jest to białko strukturalne, które składa się z praworęcznego pęczka trzech równoległych-leworęcznych Helis typu poliprolina II. Ze względu na ciasne pakowanie Helis PPII w potrójnej helisie, co trzecia pozostałość, która jest aminokwasem, jest Gly (glicyna). Skutkuje to powtarzającym się wzorem sekwencji XaaYaaGly. Chociaż ten wzór występuje we wszystkich typach kolagenu, istnieje pewne zakłócenie tego wzoru w niektórych obszarach znajdujących się w domenie potrójnej spiralnej kolagenów niefibrillarnych. Aminokwasem, który zastępuje Xaa w sekwencji jest najprawdopodobniej (2S) – prolina (Pro, 28%). Najbardziej prawdopodobnym aminokwasem zastępczym w pozycji Yaa jest (2s,4R)- 4-hydroksyprolina (Hyp, 38%). Oznacza to, że sekwencja ProHypGly jest najczęstszym tripletem w kolagenie. Przeprowadzono wiele badań nad strukturą potrójnych Helis kolagenu i tym, jak ich właściwości chemiczne wpływają na stabilność kolagenu. Stwierdzono, że stereofoniczne efekty elektroniczne i preorganizacja są ważnymi czynnikami determinującymi stabilność kolagenu. Rodzaj kolagenu zwany kolagenem typu i ma strukturę ujawnioną szczegółowo. Syntetyzowanie sztucznych włókien kolagenowych, które są mniejszymi pasmami włókna, było teraz możliwe i może teraz zawierać właściwości, które mają naturalne włókna kolagenowe. Poprzez ciągłe zrozumienie właściwości mechanicznych i strukturalnych rodzimych włókien kolagenowych, pomoże opracować i opracować sposoby tworzenia sztucznych materiałów kolagenowych, które mogą być stosowane w wielu aspektach naszego życia, takich jak biomedycyna i nanotechnologia.

struktura kolagenu
struktura kolagenu była intensywnie rozwijana na przestrzeni dziejów. Na początku Astbury i Bell wysunęli swój pomysł, że kolagen składa się z pojedynczego wydłużonego łańcucha polipeptydowego ze wszystkimi wiązaniami amidowymi w konformacji cis. W 1951 r. inne badania prawidłowo określiły struktury helisy alfa i arkusza beta. Pauling i Corey przedstawili swoją strukturę, że trzy nici polipeptydowe tworzą się razem przez wiązania wodorowe w konformacji spiralnej. W 1964 r. Ramachandran i Kartha opracowali zaawansowaną strukturę kolagenu, ponieważ była to praworęczna potrójna helisa trzech leworęcznych polipeptydów 2 helisy ze wszystkimi wiązaniami peptydowymi w konformacji trans i dwoma wiązaniami wodorowymi w każdym triplecie. Później struktura została udoskonalona przez Rich i Crick do przyjętej dziś struktury potrójnej helisy, która zawiera pojedynczy interstrand N-H (Gly)…Wiązanie wodorowe O = c (Xaa) na tryplet i dziesięciokrotna symetria spiralna z powtórzeniem osiowym 28,6 A.

Funkcja i różnorodność
kolagen, który jest obecny we wszystkich organizmach wielokomórkowych, nie jest jednym białkiem, ale rodziną białek pokrewnych strukturalnie. Różne białka kolagenowe mają bardzo zróżnicowane funkcje. Niezwykle twarde struktury kości i zębów zawierają kolagen i polimer fosforanu wapnia. W ścięgnach kolagen tworzy włókna podobne do liny o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie, podczas gdy w skórze kolagen tworzy luźno tkane włókna, które mogą rozszerzać się we wszystkich kierunkach. Różne rodzaje kolagenu charakteryzują się różnymi kompozycjami polipeptydów. Każdy kolagen składa się z trzech łańcuchów polipeptydowych, które mogą być identyczne lub mogą mieć dwa różne łańcuchy. Pojedyncza cząsteczka kolagenu typu I ma masę cząsteczkową 285 kDa, szerokość 1,5 nm i długość 300 Nm.

przegląd Biosynteza
polipeptydy kolagenowe są syntetyzowane przez rybosomy na szorstkim retikulum endoplazmatycznym (RER). Łańcuch polipeptydowy przechodzi następnie przez aparat RER i Golgiego, zanim zostanie wydzielony. Po drodze jest on modyfikowany posttranslacyjnie: pozostałości Pro i Lys są hydroksylowane i dodawane są węglowodany. Przed wydzielaniem trzy łańcuchy polipeptydowe łączą się tworząc potrójną strukturę spiralną znaną jako prokolagen. Prokolagen jest następnie wydzielany do przestrzeni zewnątrzkomórkowych tkanki łącznej, gdzie eextensions łańcuchów polipeptydowych zarówno na końcu N I C (peptydy przedłużające) są usuwane przez peptydazy tworząc troppcollagen. Cząsteczki tropokolagenu agregują się i są intensywnie usieciowane w celu prokucji dojrzałego włókna kolagenowego.

stabilność struktury potrójnej helisy
kolagen jest ważny dla zwierząt, ponieważ zawiera wiele podstawowych właściwości, takich jak stabilność termiczna, wytrzymałość mechaniczna i zdolność do wiązania i interakcji z innymi cząsteczkami. Wiedza na temat wpływu tych właściwości wymaga zrozumienia struktury i stabilności kolagenu. Zastąpienie aminokwasów w miejsce którejkolwiek z pozycji XaaYaaGly może wpływać na strukturę i stabilność kolagenu na wiele sposobów.

podstawienia glicyny
zastąpienie pozycji glicyny w sekwencji XaaYaaGly często powoduje choroby, ma to związek z mutacjami w domenach potrójnej helisy i nie potrójnej helisy różnych kolagenów. Szkodliwe mutacje w kolagenie są spowodowane przez podstawienie Gly zaangażowanych w ostatnie ciała wodorowe w potrójnej helisie. Na przykład aminokwas zastępujący Gly i lokalizacja substytucji może wpływać na patologię osteogenezy. Zastąpienie Gly w obszarach bogatych w prolinę sekwencji kolagenowej ma mniejsze zakłócenia niż obszary regionów ubogich w prolinę. Opóźnienie czasowe spowodowane podstawieniami glicyny powoduje nadmodyfikację łańcuchów protokolagenowych, które zmieniają normalny stan struktury potrójnej helisy i w ten sposób przyczyniają się do rozwoju osteogenezy.

struktura kolagenu wyższego rzędu.

kolagen składa się z hieracharcowych składników z mniejszych jednostek pojedynczych monomerów TC, które samo się montują w włóknach Makromolekularnych. W kolagenie typu 1 monomery tworzą mikrofibryle, które następnie tworzą włókninę.

Struktura Fibrilu.
monomery TC kolagenu typu 1 mają dziwną cechę, ponieważ są niestabilne w temperaturze ciała, co oznacza, że wolą być nieuporządkowane, a nie uporządkowane i uporządkowane. Pytanie brzmi, jak coś niestabilnego może być składnikiem czegoś tak stabilnego, jak struktura potrójnej helisy kolagenu. Odpowiedź na to pytanie jest taka, że fibrillogeneza kolagenu stabilizuje potrójną helisę, co oznacza, że gdy monomery tworzą się razem, mają działanie stabilizujące. Przyczynia się to do siły potrójnej helisy kolagenu.

fibrylogeneza kolagenu następuje poprzez tworzenie segmentów włókien o średniej wielkości zwanych mikrofibrylami. Istnieją dwa zasadnicze pytania, na które należy odpowiedzieć, aby zrozumieć strukturę molekularną włókien kolagenowych. Pierwsze pytanie brzmi, jaki jest układ poszczególnych monomerów TC, które tworzą mikrofibril. Drugie pytanie brzmi, jak te mikrofibryle tworzą włókno kolagenowe. Te pytania są trudne do odpowiedzi, ponieważ poszczególne naturalne mikrofibryle nie mogą być izolowane, a duży rozmiar i nierozpuszczalność dojrzałych włókien kolagenowych uniemożliwiają standardowym technikom ustalenie struktury.

włókna kolagenowe typu I-TEM

biosynteza kolagenu (fr)